操作系统课程设计（完美程序）

### 操作系统课程设计知识点详解 #### 一、题目及目的 本次课程设计的主要目标是在Windows 2000环境中创建一个控制台进程，并利用该进程中的多个线程模拟“读者-写者”问题的不同场景。通过实际编程，学生不仅能够深入理解进程间通信和同步的基本原理，还能够掌握如何在多线程环境中使用信号量来解决典型的并发控制问题。 #### 二、设计要求 1. **创建控制台进程**：在Windows 2000环境下构建一个控制台应用程序，该程序将作为整个实验的基础平台。 2. **线程模拟**：在该进程中创建n个线程，这些线程代表不同的“读者”或“写者”。每个线程根据测试数据文件中的指示执行特定的操作。 3. **信号量机制**：利用信号量机制实现两种不同策略下的“读者-写者”问题解决方案——“读者优先”和“写者优先”。 #### 三、读写操作限制 1. **写-写互斥**：确保任何时候最多只有一个写者能够访问共享资源，即不能有两个或两个以上的写者同时进行写操作。 2. **读-写互斥**：当有一个写者正在访问共享资源时，不允许任何读者进行读操作。 3. **读-读允许**：允许多个读者同时访问共享资源，这意味着可以有任意数量的读者同时进行读操作而不发生冲突。 4. **读者优先**：如果已经有读者正在进行读操作，新的读者可以直接加入到读操作中。 5. **写者优先**：如果有写者正在等待访问共享资源，那么任何新的读者请求必须等待，直到没有写者在等待状态。 #### 四、实现方法 为了满足上述要求，可以采用以下方法进行实现： 1. **临界区控制**： - 使用临界区来控制写-写互斥和读-写互斥。 - 对于读-读情况，使用一个计数器(readcount)来跟踪当前有多少读者正在进行读操作。 2. **读者优先方案**： - 当readcount变为1时，即有第一个读者进入时，锁定用于读写的临界区(rp_read)，直到最后一个读者离开时才解锁。 - 写者在尝试进入临界区之前，还需要先锁定另一个临界区(rp_write)，以确保在有读操作正在进行时不会干扰到读操作。 3. **写者优先方案**： - 使用两个临界区(cs_read 和 cs_write)来实现写者优先。 - 当有写者请求时，锁定cs_read以阻止新的读者进入。 - cs_write用于实现写-写互斥和读-写互斥。 #### 五、功能实现示例 以下是一个具体的实现示例，展示了如何在“读者优先”模式下处理一系列读写请求： 1. **线程1**（写者）发送写操作请求。 2. **线程1**开始写入文件。 3. **线程2**（写者）发送写操作请求。 4. **线程3**（读者）发送读操作请求。 5. **线程5**（写者）发送写操作请求。 6. **线程4**（读者）发送读操作请求。 7. **线程1**完成写操作。 8. **线程3**开始读取文件。 9. **线程4**开始读取文件。 10. **线程3**完成读操作。 11. **线程4**完成读操作。 12. **线程2**开始写入文件。 13. **线程2**完成写操作。 14. **线程5**开始写入文件。 15. **线程5**完成写操作。 16. 所有线程完成操作。 #### 六、核心代码分析 基于上述设计思路，可以编写出如下核心代码段： ```cpp // 定义信号量 Semaphore rp_read(1); // 读者优先读写锁 Semaphore rp_write(1); // 写者优先读写锁 Semaphore cs_read(1); // 写者优先读锁 Semaphore cs_write(1); // 写者优先写锁 int readcount = 0; // 记录当前读者的数量 int writecount = 0; // 记录当前写者的数量 void ReaderFunction() { while (true) { // 读者优先模式 rp_read.Lock(); // 阻止写者 if (readcount == 0) { rp_write.Lock(); // 第一个读者进入 } readcount++; rp_read.Unlock(); // 执行读操作 std::cout << "Reader thread " << GetCurrentThreadId() << " begins to read file." << std::endl; Sleep(1000); // 模拟读操作耗时 // 退出读操作 readcount--; if (readcount == 0) { rp_write.Unlock(); // 最后一个读者离开 } std::cout << "Reader thread " << GetCurrentThreadId() << " finishes reading file." << std::endl; } } void WriterFunction() { while (true) { // 读者优先模式 rp_write.Lock(); rp_read.Lock(); // 阻止新读者进入 writecount++; rp_read.Unlock(); // 执行写操作 std::cout << "Writer thread " << GetCurrentThreadId() << " begins to write to the file." << std::endl; Sleep(1000); // 模拟写操作耗时 // 退出写操作 writecount--; rp_write.Unlock(); std::cout << "Writer thread " << GetCurrentThreadId() << " finishes writing to the file." << std::endl; } } ``` #### 七、总结 本课程设计通过具体实现“读者-写者”问题，不仅加深了学生对于多线程编程和同步机制的理解，而且通过实践锻炼了学生的编程技能。此外，通过比较“读者优先”和“写者优先”两种策略下的差异，进一步理解了不同场景下选择合适并发控制策略的重要性。